광합성

[김영해(성북석관)]

광합성이란 무엇인가?

생명을 구성하고 있는 원소들 중 철까지의 원소들은 항성의 핵융합반응에서 주로 생성되며 보다 무거운 원소들의 생성에는 에너지가 필요하기 때문에 신성이나 초신성이 폭발할 때 생성된다. 이들 원소들의 반응에 의하여 간단한 유기분자들이 생물과 관계없이 합성되어 전 우주에 분포하고 있으며 이 분자들이 지구 생명체들의 모체가 되었을 것이다. 세계2차 대전 후에 급속히 발달한 전파천문학의 도움으로 우주 도처에 생명체와 관련이 있는 시안화수소 HCN, 포름아미드 NH2CHO, 아세트나이트릴 CH3CN, 아세트알데히드 CH3CHO, 포름산 HCOOH등이 확인되었다. 이들 성간분자들이 존재하고 있는 곳에서 1cm3의 부피에 존재하는 원자는 약 1개에서 10개 정도이다. 온도는 극히 낮아서 영하 170℃에서 260℃ 정도의 극저온의 상태이다. 온도가 아주 낮고 밀도가 작으므로 이런 장소에서는 화학반응이 평형에 도달하지 못하고 따라서 우주에 압도적인 양의 수소가 존재하지만 포름알데히드나 포름산과 같은 산화형의 분자가 존재할 수 있다. 이들 유기분자들이 원시지구에도 존재하였다는 것은 의심할 여지가 없다. 원소의 생성, 유기분자들의 합성 (화학진화) 과정이 일어난 후에 생물의 발생 및 진화가 이루어졌다.
원시지구에서 출현한 최초의 생명체는 영양을 스스로 만들지 못하는 종속영양생물이었는데 영양이 되는 유기물이 곧 결핍되어 스스로 영양을 만드는 독립영양생물이 나타나게 되었다. 처음에는 영양을 만드는데 필요한 에너지를 화학반응에서 얻을 것으로 추정된다. 철박테리아, 황박테리아, 아질산 및 질산박테리아 등은 철3가 이온(Fe3+), 황화수소(H2S), 아질산(HNO2), 질산(HNO3) 등을 환원하여 발생하는 에너지를 이용하여 영양물질을 합성한다. 그 후에 자연적으로 합성된 포르피린을 이용하여 지각에 풍부한 원소인 마그네슘이온을 배위할 수 있는 형태로 변화시킨 뒤에 태양 빛을 흡수하여 이용할 수 있는 엽록소 (클로로필)가 합성되었을 것이다. 마그네슘이온의 역할은 아마도 엽록소의 포르피린 구조를 강하게 (rigidly) 유지하며 또한 흡광도와 최대흡수파장을 약간 변화시켜 빛을 보다 더 흡수할 수 있게 도와주는 것으로 보인다. 최근의 학설에 의하면 원핵생물에 광합성세균이 들어가 합체되어 진핵생물이 되었다고 한다.
광합성에 의한 영양물질 특히 포도당의 대량생성은 생명체 발전과정에 큰 영향을 주었다. 광합성에 의해 생성된 영양물질이 풍부해지면서 이 물질들을 먹고 생존하는 종속영양생물이 출현하여 진화하게 되었고 또한 광합성의 부산물로 만들어지는 산소가 물에 포화된 후 점점 대기에 퍼져 환원형 대기를 산화형 대기로 변화시켰다.  산소가 생기기 전의 철광석은 주로 2가철 (Fe2+)이지만 바닷물에 산소가 포화되는 동안에는 해성층에 철3가 이온 (Fe3+) 광물이 퇴적되었고 산소가 대기에 이르게 된 후에는 육성층에도 철3가 이온 (Fe3+) 광석이 퇴적되기 시작하였다.
산소는 그때까지의 생물들에게 독성물질이었지만 곧 해독 기구를 만들고 또한 산소를 이용하여 포도당을 산화하여 에너지를 얻는 방법을 이용하게 되어 생물은 다양하게 진화할 수 있게 되었다. 이즈음에 성의 분리와 유성생식이 시작된 듯하다. 단세포생물인 박테리아는 보통 분열에 의하여 증식하지만 필요하면 접합에 의한 유전자 교환이 일어나기도 한다. 대기상층까지 퍼진 산소는 자외선에 의하여 오존으로 바뀌어 오존층을 만들어 지표에 자외선이 도달하지 못하게 하였다. 생명체에 해로운 자외선이 차단되자 그 때까지 자외선을 피해 바다 속에서만 서식하던 생물들이 육지로 상륙하기 시작하였다. 그리고 산소를 이용하여 영양물질을 산화시켜 에너지를 얻는 방법이 보편화 되어 생물 개체수의 폭발적인 증가와 생물의 다양화를 가져왔다.   광합성과정을 간단하게 설명하면 다음과 같다. 광합성반응은 빛이 필요한 명반응과 빛이 없어도 진행되는 암반응으로 이루어지며 명반응에서는 태양빛 중에서 보랏빛과 빨간빛이 강하게 흡수되어 엽록소를 들뜨게 한 후 에너지가 많은 전자가 생성된다. 이 전자에 의하여 물이 환원되며 수소가 에너지를 가지게 되고 산소가 발생한다. 고 에너지 수소는 NADH와 결합된 형태로 이산화탄소와 반응하여 여러 단계를 (캘빈회로) 거쳐 포도당이 만들어진다 (암반응). 이런 일련의 반응들에 의하여 광합성이 진행된다는 것은 T. 엥겔만, 닐 (C. B. van Niel), H. G. 우드 및 C. H. 워크먼 그리고 M. 캘빈 교수 팀에 의하여 밝혀졌다. 발생한 에너지는 ATP (adenosine triphosphate)에 저장되어 다른 생체반응에 이용된다.

        



광합성의 과정



        


엽록체의 구조

광합성은 녹색식물, 해초류, 광합성박테리아, 그리고 유글레나, 클로렐라 등의 원생생물에 의하여 일어나며 엽록소에는 a, b, c, d, e 그리고 세균엽록소 등이 속하며 기본 구조는 비슷하고 단지 곁가지 사슬이 다르다. 엽록소의 기본 구조는 포르피린이며 마그네슘2가 이온 (Mg2+)이 네 개의 질소 원자에 배위되어 구조를 안정화시킨다. 엽록소 a는 고등식물, 해초류, 및 원생생물 등에 존재하고, 엽록소 b는 고등생물과 녹조류에 들어 있고, 엽록소 c는 갈조류나 규조류에 엽록소 d는 홍조류에 엽록소 e는 홍조류에 존재하고 있다. 그리고 세균엽록소는 광합성박테리아들에 분포하고 있다. 엽록소는 그라나의 탈라코이드 막에 들어있고 스트로마에는 광합성에 필요한 효소들이 포함되어 있다. 태양빛 중에서 빨강 빛 (파장: 620nm～760nm)이 가장 바닷물에 잘 흡수되므로 광합성을 시작한 미생물이 빨강 빛을 흡수하는 엽록소를 만든 듯하다. 그때에는 자외선을 차단하는 오존층이 만들어지기 전이므로 미생물들은 바다 속에서 생존하였다.


엽록소 a

유글레나(연두벌레)에는 안점이 있어 밝은 빛이 존재하면 광합성을 하여 스스로 영양을 만들며 빛이  약해지거나 사라지면 유기물질을 섭취하는 종속영양을 하는 것으로 알려져 있다.


엽록소와 관련색소의 흡수스펙트럼
광합성도 온도의 영향을 받는다. 봄이 되어 대기의 온도가 올라가지 시작하면 잎에서 엽록소가 생산되어 광합성이 시작되어 활발하게 포도당을 합성한다. 가을이 깊어가면서 차츰 기온이 떨어지면 광합성의 속도가 감소하기 시작하여 결국에는 잎 속의 엽록소가 파괴되면서 광합성이 중지된다. 이 때 그 동안 엽록소에 가려 제 색깔을 내지 못하던 카로티노이드 또는 엽록소가 파괴되어 새로 만들어진 안토시아닌 등에 의하여 잎이 노랗게 되거나 빨갛게 되며 이것을 단풍이라고 한다. 광합성에 의하여 이산화탄소가 흡수되고 산소
가 방출되지만 식물도 호흡을 하므로 이 경우에는 반대로 산소를 흡수하고 이산화탄소를 방출한다. 따라서 광합성이 온도가 낮아 활발하지 않는 밤이나 새벽에는 이산화탄소가 더 많이 방출되며 온도가 높은 낮에는 산소가 더 많이 방출된다. 호흡에 의하여 방출되는 이산화탄소의 양과 광합성에 의하여 흡수되는 이산화탄소의 양이 같아지는 때를 보상점이라고 한다.  

광합성

광합성은 세포 성분을 합성하기 위하여 식물 세포가 태양 에너지를 이용하는 것이다. 광합성에서 만들어지는 유기물은 탄수화물이며 탄소는 CO2에서 나온다. 일반적인 반응식은 다음과 같다.

2H2Z + CO2 → 1/x (CH2O)x + H2O + 2Z                  (1)

위 빈응에서 H2Z는 수소를 제공하는 환원제이며 주로 H2O를 사용하지만 황세균은 H2S를 사용하기도 하며 어떤 세균들은 알콜을 사용한다. Z는 산화된 원소 또는 화합물이다. 녹색 식물에서의 광합성이 가장 흔하고 알려져 있으며 물이 수소를 제공하여 부산물로 O2를 방출한다. 녹색 식물에서의 광합성에 대한 연구 결과에 의하면 산소 분자는 CO2가 아닌 H2O에서 만들어진다.그러므로 산화의 반쪽 반응식은 다음으로 표시된다.

2H2O → 4H+ + O2 + 4e-                                 (2)

위 반응에 필요한 표준 전위는 -1.23 V이다. 생리적인 조건에서 pH가 높아지면 약간 덜 불리하지만, 그래도 여전히 0보다 작다(εphys = -0.82 V). 이 경우에 환원 반응 반응은 다음 식과 같이 진행된다.

2CO2 + 4H+ + 4e- → 2/x (CH2O)x + O2                (3)

포도당이 생성될 때의 전체 반응에 대한 생리적인 전위는 약 -1.2 V가 된다. 그러므로 이 반응에는 에너지가 공급되어야 한다.
광합성 과정은 네 개의 연속된 단계로 이루어진다.

1. 엽록소와 카로티노이드로 알려진 생분자들에 의하여 태양 에너지가 흡수된다.
2. 들뜬 상태의 엽록소 분자와 페리독신을 포함하는 일련의 산화 환원 제 사이에서 전자 이동이 일어난다. 이 단계는 광화학계(photosystem) Ⅰ에서 수행된다.
3. 물이 산화되어 O2가 만들어지는 단계는 복잡한 구조를 가진 망가니즈가 포함된 효소에 의하여 진행된다. 이것이 광화학계 Ⅱ이다.
4. 이산화탄소가 탄수화물로 환원된다.

엽록소들

엽록소들은 가시광선과  근 자외선 영역의 에너지를 아주 효율적으로 흡수하는 녹색 염료들이다. 이런 분자가 많이 알려져 있으며 이 중 가장 잘 밝혀진 것이 엽록소 a이며 구조식을 그림에 표시하였다 분자식은 C55H72MgN4O5이며 분자량은 894돌턴이다.



엽록소 a의 구조는 세 부분으로 구성되어 있다.

1. Mg2+이온은 4배위를 하고 있다. (수용액에서는 물 분자가 5번째로 배위하고 있다.) 배위된 네 개의 질소 원자들은 루이스 염기로 작용하고 있다. 금속은 리간드 평면에서 약 40 pm 정도 위에 위치하므로 사각 피라미드(square pyramidal) 형태를 가지고 있다.

2. 포피린 고리계는 금속에 대해 4배위하는 구멍을 만들고 있다. 네 개의 C4N 고리가 있으며 각각은 메틴(CH2)에 의하여 서로 연결되어 있다. 여러 엽록소들은  세 개의 위치에(그중 하나가 그림에 *로 표시되어 있음)서로 다른 치환기를 가지고 있다.

3. 긴 사슬을 가진 유기 phytyl 그룹이 하나의 고리에 매달려 있다. 이 그룹은 총 20개의 탄소로 이루어져 있으며 이스터 그룹에 의하여 나머지 분자에 연결되어 있다.

엽록소 a가 유기 용매에 용해되면 420과 660 nm 근처에서 강한 흡수띠를 가진 π→π* 천이를 나타낸다. 그러나 흡수띠가 685 nm에서 나타나는 보다 복잡한 스펙트럼이 살아있는 세포에서 측정된다. 이 차이는 분자간 회합에 의한 것이다. 엽록소 a는 비극성 용매에서 두 번째 분자의 카보닐 그룹이 금속에 배위되는 현상을 통해 이합체를 이룬다. 수용액에서는 중합이 더 진행되어 분자식 (chl ․ H2O)n를 가진 올리고마가 존재하는 것으로 생각되고 있다. 각각의 분자는 배위된 H2O와 카보닐 산소 사이에 만들어지는 수소 결합을 통해 연결되어 직선 사슬을 만든다. 이 중합 현상이 촉매의 활성에 결정적인 것으로 보인다 — 광전자가 한 분자에서 사슬의 다음 분자로 “뛰어간다”. 광화학계 Ⅰ의 광포획 단위는 약 200개의 엽록소와 50개의 카로티노이드 분자를 포함하고 있다.

가능한 구조-역할 상호관계

엽록소 a에서 구조와 역할 사이의 관계에 대하여 고찰하는 것이 흥미있는 일이다. 예를 들면 주어진 유기 부분에서 다른 금속 대신 마그네슘의 “선택”이 어떻게 설명될 수 있을까? 여기에 적어도 네 개의 이유가 제시되고 있다.

1. 마그네슘은 모든 금속 중에서 가장 풍부한 것 중 하나이다.

2. Mg2+ 이온은 하드 루이스 산이므로, 질소 염기들에 대한 강한 친화성을 가지고 있다.

3. MgⅡ의 크기는 포피린 구멍에 나이스하게 잘 들어맞는다. 이것은 충분히 작아서 강한 금속-리간드 상호작용을 할 수 있으며 질소들의 평면에 들어가는 것이 아니고 위에 위치할 정도로 크다. 이 현상에 의하여 H2O와의 상호작용이 용이해지며 따라서 중합도 쉬워진다.

4. 많은 이가 금속들과는 달리, MgⅡ는 본질적으로 환원 반응에 참여하지 않는다. 쉽게 환원될 수 있는 금속은 전자 이동을 통해 들뜬 전자를 잡을 수도 있으므로 광화학계 Ⅰ에서 요구되는 분자간 전자 공여(donation)를 방해할 수 있다.

포피린 고리는 여러 가지 방법으로 착물을 안정화시킨다. 공액된(conjugated) 이중 결합은 분자의 유기 부분이 광분해에 대하여 안정하도록 한다. 킬레이트 효과에 의하여 무기 지역이 안정화된다. 확장된 공액의 다른 이점은 π→π* 천이가 가시광선 영역으로 이동하게 한다는 것이다. 지구에 도달하는 태양빛 중에서 가장 강도가 높은 부분이 가시광선 영역이므로 장파장으로의 이동이 중요하다. 그밖에도 p-형 공액이 구조를 단단하게 하며 아로 인해 흡수된 에너지가 열 진동에 의하여 손실되는 것이 방지된다.

광화학계 Ⅱ에서의 망가니즈의 역할

광화학계 Ⅱ에서 H2O가 O2로 산화되는 과정이 분자량이 약 25,000돌턴이며 망가니즈를 포함하는 효소에 의한 것으로 알려져 있다. 이 효소의 정확한 구조는 아직 알려져 있지 않지만, 촉매 메커니즘을 이해하는 노력에 상당한 진척이 이루어지고 있다.